RICERCA ITALIANA     

Tecniche per la rivelazione ed il trattamento dei segnali in grandi apparati a LAr per esperimenti di nuova generazione di fisica astroparticellare

Università degli Studi di Padova

Abstract

Negli ultimi anni, nel campo della fisica astroparticellare, hanno suscitato grande interesse nuovi rivelatori di particelle basati sull'uso di gas nobili liquefatti in camere a proiezione temporale. Grazie alle eccellenti prorietà calorimetriche e di tracciamento del mezzo, essi sono adatti all'esplorazione di una grande varietà di fenomeni su un'ampia scala di energie (da pochi keV a centinaia di GeV). Le applicazioni proposte in campo internazionale spaziano dalla ricerca delle oscillazioni dei neutrini con fasci artificiali allo studio della stabitità della materia barionica e alla ricerca di fenomeni rari quali esplosioni di supernovae e materia oscura. L'esperienza acquista nell'ambito del progetto ICARUS, durante le fasi di R&D e costruzione, e con i rivelatori pilota pilota (PRIN 2003 prot. 2003024192) nonchè i risultati delle misure fatte sugli stessi (PRIN 2005 prot. 2005023073), hanno mostato che tali rivelatori possiedono grandi margini di miglioramento il cui raggiungimento aprirebbe la strada con successo a nuove applicazioni nel campo della fisica delle particelle e astroparticelle soprattutto nel caso di rivelatori a grandi masse (migliaia di tonnellate di Argon liquido - che vengono proposti da molte collaborazioni per fisica del neutrino e possible osservazione del decadimento dei nucleoni, 1-10 ton di Ar liquido – proposte per rivelatori ad Argon bifasico per la ricerca diretta di segnali da Dark Matter/WIMP) che vengono >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Sandro Centro Università degli Studi di PADOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Le eccellenti proprietà calorimetriche e la capacità di registrare tracce cariche nel mezzo attivo delle camere a proiezione temporale (TPC) a liquido di gas nobile risultano particolarmente adatte alla ricerca di una grande varietà di fenomeni fisici in un ampio intervallo di energia (da pochi keV alle centinaia di GeV). Le possibili applicazioni spaziano dalla ricerca sulle oscillazioni del neutrino con fasci artificiali o con neutrini atmosferici, allo studio della stabilità della materia barionica e alla ricerca di fenomeni rari quali le esplosioni di Supernovae o la Materia Oscura nell'Universo. La fattibilità delle TPC ad Argon liquido (LAr TPC) è stata dimostrata senza incertezze dal programma ICARUS che ha incluso studi su piccoli volumi di Argon liquido per la verifica di caratteristiche fondamentali quali la purificazione ed i sistemi di lettura elettronica, nonchè studi con prototipi di massa. La realizzazione del modulo da 600 tonnellate di ICARUS, il cosiddetto T600, e il relativo test realizzato con raggi cosmici, ha dimostrato che la tecnica può essere applicata su grande scala con lunghezze di deriva fino a 1.5 metri. L' acquisizione di eventi dai raggi cosmici ha permesso di verificare il funzionamento del rivelatore in modo quantitativo. Il successo della costruzione su base industriale del T600 e la sua eccellente qualità hanno motivato e giustificato la proposta di riprodurre il modulo fino a masse di migliaia di tonnellate per esperimenti di >>>

Risultati parziali attesi

UNITÀ DI PADOVA

Il programma di ricerca proposto dall'unita' di Padova mira alla progettazione e realizzazione di nuove architetture di aquisizione dati per segnali ionizzazione generati in TPC ad Argon liquido di grandi dimensioni.

Il programma si basa sullo scaling-up del presente DAQ dell'esperimento ICARUS a un grande numero di canali (>10^5) e mira al contenimento del costo per canale (60 Euro/channel), tramite una profonda revisione del progetto sulla base dei nuovi componenti presenti sul mercato attualmente.

I risultati fondamentali da raggiungere per il successo di tale programma sono: 1) grande numero di canali (varie decine di migliaia) a basso rumore, (2) conversione AD seriale installata sul rivelatore, (3) trasmissione su fibra ottica a grande banda passanti dei segnali non compressi (4) utilizzazione di potenti FPGA a valle del ricevitore della fibra ottica per la compressione e gestione del flusso dei dati.

I risultati di tale programma di ricerca potranno essere applicati alla prossima generazione di TPC criogeniche di grande massa (parecchie decine di kt) per la rivelazione di eventi rari (interazioni di neutrini, proton decay, etc...), quali l'esperimento MODULAr a LNGS attualmente in fase di progetto.



UNITÀ DI PAVIA

In relazione al proposto programma di ricerca, il gruppo di Pavia si aspetta di riuscire a sviluppare e >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La fisica astroparticellare e del neutrino in particolare ha recentemente avuto notevoli positivi sviluppi con l'interpretazione dei risultati sperimentali ottenuti con i neutrini solari ed atmosferici. Nell'ambito dei neutrini solari, si è conclusa una prima fase di ricerche durata quasi tre decadi che ha avuto come pietre miliari gli esperimenti di Homestake, GALLEX-GNO, SAGE, Kamiokande, CHOOZ, Super-Kamiokande, SNO e Kamland, che, unitamente al cosiddetto Modello Solare Standard di John Bachall, hanno prodotto un quadro coerente che indica la sostanziale correttezza della nostra comprensione dei meccanismi alla base del funzionamento del Sole e, soprattutto, la chiara evidenza del processo di conversione di neutrini solari (elettronici) in neutrini di un altro sapore (muonici o tauonici), ovvero delle oscillazioni di neutrino. Evidenza per le oscillazioni di neutrino in un altro dominio dei parametri è stata anche fornita dagli esperimenti Kamiokande, MACRO, SOUDAN II e soprattutto Super-Kamiokande, studiando i neutrini prodotti nell'interazione di raggi cosmici nell'atmosfera. Tali risultati aprono la via allo studio sistematico della matrice di mescolamento dei neutrini da realizzarsi mediante futuri esperimenti con neutrini artificiali (da acceleratori e da reattori nucleari) nonchè con neutrini solari ed atmosferici. Un altro importante soggetto di fisica è la ricerca del decadimento del nucleone, prevista dai Modelli di Grande Unificazione delle >>>